Ljusskördande komplex ( SSC , eller antennkomplex , ibland helt enkelt antenner ) är pigment -proteinkomplex av fotosyntetiska organismer, lokaliserade i fotosyntetiska membran och utför funktionen av primär absorption av ljuskvanta , följt av migrering av excitationsenergi till reaktionscentra av fotosystem. De tillhandahåller också finjustering av fotosyntesapparaten och deltar i dess skydd mot fotoskador.
Den viktigaste händelsen i fotosyntesens ljusstadium, där strålningsenergin omvandlas till kemisk energi, är processen för laddningsseparation i fotosystemens reaktionscentra . Laddningsseparation är processen för elektronöverföring från de exciterade klorofyllreaktionscentra till den primära acceptorn. Separation av laddningar sker som ett resultat av exciteringen av klorofyllreaktionscentra när det absorberar ett visst kvantum av energi. Det är dock extremt osannolikt att en foton direkt träffar en foton , som bär den energi som behövs för excitation, in i klorofyllet i reaktionscentret. Därför är effektiv fotosyntes möjlig endast med närvaron av antenner - pigment-proteinkomplex som fångar fotoner med olika våglängder och riktar excitationsenergi till reaktionscentra. Det är känt att den stora majoriteten av klorofyllmolekylerna är en del av antennkomplex, och inte reaktionscentra. I högre växter är cirka 300 antennklorofyllmolekyler associerade med ett reaktionscentrum [1] .
För att använda energin från fotoner som inte absorberas av klorofyll (det "gröna doppområdet") ingår även andra pigment i antennerna. I högre växter är dessa karotenoider ( karotener och xantofyller ), och i ett antal alger och vissa fotosyntetiska prokaryoter är de också fykobiliner . Klorofyller och karotenoider binder till proteiner icke-kovalent på grund av elektrostatiska interaktioner, koordinationsbindningar med magnesium och hydrofoba interaktioner. Phycobilins binder kovalent till proteiner genom tioeter- och eterbindningar [ 2] .
Energimigrering i ljusskördande komplex fortskrider alltid med vissa energiförluster. I detta avseende skiftas absorptionsmaximumet för donatorpigmentet till kortare våglängder (jämfört med acceptorpigmentets maximum). Det vill säga att donatorpigmentets excitationsenergi alltid är högre än excitationsenergin för acceptorpigmentet (en del av energin försvinner till värme) [3] . Till exempel, för högre växter, är energimigrering typisk i följande riktning: karotenoider → klorofyll b → klorofyll a → klorofyll a i reaktionscentrumet (som en del av en dimer).
Organisationen av CSCs i olika organismer är ganska varierande (jämfört med den konservativa strukturen hos reaktionscentra), vilket återspeglar anpassningen av fototrofer till olika ljusförhållanden under evolutionens gång.
Eftersom man fann att effektiv energiöverföring i antenner även sker vid extremt låga temperaturer (1° K = –272 °C), drogs slutsatsen att energiöverföring sker utan elektronöverföring (elektrontransport är omöjlig vid så låga temperaturer) [4] . Följande mekanismer för energimigrering särskiljs:
Dessa mekanismer för energiöverföring skiljer sig fundamentalt från de mekanismer som implementeras i elektrontransportkedjor ( ETC ), eftersom överföringen av energi i olika delar av ETC är förknippad med överföring av elektroner (elektronenergimigrering). Överföringen av elektroner mellan kofaktorer inom ETC-proteinkomplexen utförs enligt 1) halvledar- eller 2) resonansmekanismer (baserat på effekten av elektrontunnling genom energibarriären). Överföringen av elektroner i områden med mobila bärare utförs enligt den diffusa mekanismen [11] .
Lila bakterier har ett enda fotosystem, på många sätt liknar fotosystem II av cyanobakterier och högre växter . Ljusskördande komplex finns runt detta fotosystem: i periferin - LH2 och nära reaktionscentrum - LH1 [12] . Molekyler av bakterioklorofyll och karotenoider finns på komplexens proteiner . Samtidigt kännetecknas de yttre LH2-komplexen av kortare våglängdsformer av pigment (800–850 nm), medan det inre LH1-komplexet har längre våglängder (ca 880 nm). Reaktionscentrets (RC) bakterioklorofyll har ett ännu längre våglängdsabsorptionsmaximum. En sådan struktur säkerställer absorptionen av fotoner i LH2 och riktad migration genom LH1 till RC. Lila bakterier kännetecknas av multisubunit CSCs med en cirkulär organisation. Komplexen inkluderar som regel två typer av polypeptider : a- och β-subenheter . Båda subenheterna är små proteiner som består av hydrofila regioner (cytoplasmatisk och periplasmatisk) och en transmembrandomän. Organisationen av proteiner och arrangemanget av pigment i RCs och SSCs studeras med hjälp av metoden för röntgenkristallografi [12] .
För Rhodobacter sphaeroides visas den dimeriska organisationen av (LH1 - RC - PufX) 2 -komplexet (med en upplösning på 8 Å) [13] . Dimeren innehåller två PufX-proteiner, som bildar luckor i de cirkulära LH1-antennerna, genom vilka den reducerade ubikinonen lämnar RC . Dessutom är detta protein ansvarigt för dimerisering. Ett liknande dimeriskt komplex hittades med elektronmikroskopi i membranen hos bakterien Rhodobaca bogoriensis [14] .
I Rhodopseudomonas palustris beskrevs strukturen av LH1-RC-protein W-komplexet (med en upplösning på 4,8 Å) [15] . W-proteinet, i analogi med PufX, bildar ett gap i den cirkulära LH1-antennen. Ett avbrott i LH1 ger åtkomst för den mobila ubiquinontransportören till RC.
Den högsta upplösningen (3 Å) beskriver strukturen av det monomera komplexet LH1-RC i den termofila bakterien Thermochromatium tepidum [16] . I det här fallet omger LH1 RC helt och hållet och har inga luckor; vägen för transport av ubiquinon ger en speciell kanal i antennen. Dessutom finns det kalciumkatjonbindningsställen från C-terminalen av LH1-subenheterna ; det antas att kalciumbindning ökar komplexets termiska stabilitet.
I klorosomerna hos gröna svavelbakterier är ljusupptagningskomplexet lokaliserat på den cytoplasmatiska sidan av membranet och består av cirka 10 000 bakterioklorofyllmolekyler (främst bakterioklorofyll c) associerade med proteiner. De är omgivna av lipidmembran och deras bas (bakterioklorofyll a är belägen vid basen av komplexen) är i kontakt med det ljusupptagande komplexet inbäddat i membranet som omger reaktionscentret. Överföringen av excitoner sker från bakterioklorofyll c, som absorberar vid en våglängd av cirka 750 nm (B750) genom bakterioklorofyll a-molekyler som ligger vid basen (B790), till bakterioklorofyll a av det ljusabsorberande komplexet integrerat i membranet (B804) och slutligen till bakterioklorofyll a i reaktionscentret (P840). [17]
I högre växter isoleras interna (eller kärna, från engelska core ) och externa ljusskördande komplex. Varje fotosystem (I och II) har både en intern och en extern SSC, d.v.s. högre växter har 4 typer av CSC. Externa antenner ger fotonabsorption och excitationsenergimigrering till interna antenner. Interna antenner är placerade i närheten av reaktionscentra; de absorberar också ljuskvanta och säkerställer migreringen av excitationsenergi till fotosystemens reaktionscentra. Varje CSC innehåller flera polypeptider; Varje CSC-protein innehåller ett strikt definierat antal pigment.
Den externa PS I-antennen inkluderar fyra Lhca1-4 (lätt skördande komplex) polypeptider med en molekylvikt på cirka 22 kDa. Varje polypeptid bär cirka 100 molekyler av klorofyll a och b och xantofyller (lutein, violoxantin). Förhållandet mellan klorofyll a/klorofyll b i den externa antennen hos PS I är cirka 3,5. De yttre antennproteinerna är organiserade i en halvmåneform runt varje enskilt fotosystem. Dessutom, om PS I bildar ett trimeriskt superkomplex, stänger halvmånarna av individuella PS I och omger trimern helt. Till skillnad från den mobila trimern på den externa CCK II-antennen är den externa CCK I-antennen permanent ansluten till PS I och kan inte spridas i membranet. Lhca1-4-proteinerna kodas i det nukleära genomet.
I tomat finns Lhca1- och Lhca4-proteinerna i två isoformer. Det finns två homologa gener som kodar för Lhca5 och Lhca6 [18] [19] i Tal 's rezukhovidka . Det är känt att Lhca5 finns i betydande mängder i starkt ljus och kan bilda homodimerer som binder till Lhca2 och Lhca3. Det finns bevis för att NADH-dehydrogenaskomplexet av kloroplaster , liknande NADH-dehydrogenaskomplexet i mitokondrier och homologt med bakteriekomplexet I [20] [21] , av kloroplaster bildar ett superkomplex med minst två PSI med hjälp av proteinerna Lhca5 och Lhca6. [19]
FS intern antenn IDen interna antennen för PS I är lokaliserad på två centrala proteiner i fotosystemet (proteinerna A och B), runt P 700 - reaktionscentret och elektronöverföringskofaktorer . Sammansättningen av den interna antennen inkluderar 95 molekyler klorofyll a , 12-22 molekyler β-karoten, varav 5 är i cis -konformation. Pigmenten i den inre antennen är arrangerade i form av en cylinder som omger redoxmedlen av PS I elektrontransportkedjan, kärnan i fotosystem I och är kodade i plastidgenomet . [22]
Den externa PSII-antennen består av en mobilantenn och mindre antennproteiner. Mobilantennproteiner inkluderar: Lhcb1-3 (massa ca 26 kDa), mindre proteiner - Lhcb4-6 (eller CP29, CP26, CP23). Lhcb1-3-proteinerna kodas i det nukleära genomet. [23]
Vart och ett av de mobila antennproteinerna innehåller 7-8 klorofyll a-molekyler, 6 klorofyll b- molekyler , 2 korsade luteinmolekyler , en vardera av neoxantin och violoxantin (eller zeaxantin ). [23] Lhcb2-proteinet är huvudproteinet i tylakoidmembranet , så det är väl studerat. Lhcb2 innehåller en viktig treoninrest som kan genomgå fosforylering, vilket är viktigt för övergången av kloroplaster från tillstånd 1 till tillstånd 2. Ett Lhcb1-protein och två Lhcb2-proteiner bildar en mobilantennheterotrimer, CCK II. Den mobila CCK II-trimeren är kapabel till diffusion i tylakoidmembranet och kan binda till PS I (med deltagande av H-subenheten), vilket ökar energiflödet till PS I-reaktionscentret och minskar belastningen på PS II-reaktionscentret .
Mindre Lhcb4-6-proteiner är belägna mellan mobilantennen och den interna antennen av PSII-komplexet. Vart och ett av dessa proteiner innehåller 13-15 klorofyller och 4-5 xantofyller ( lutein , neoxantin , violo- eller zeaxantin ). De mindre proteinerna i PS II, på grund av deras placering, fungerar som kanaler för energiflödet från den externa CCK II-antennen till PS II-reaktionscentret. Det är i de mindre proteinerna i CCK II som xantofyllcykeln ( violoxantin ) inträffar, som spelar en fotoskyddande roll under överdriven belysning. [23]
FS II intern antennI motsats till PS I, där den interna antennen är placerad på centrala proteiner som bär reaktionscentrumklorofyller och elektronöverföringskofaktorer , är den interna antennen för PS II placerad på två separata proteiner ( CP43 och CP47) intill de centrala proteinerna i PS II ( D1- och D2-proteiner). CP43-proteinet är beläget nära D1 och CP47 nära D2. CP43 bär 13 klorofyll a -molekyler , CP47 - 16, dessutom innehåller de 3-5 β-karotenmolekyler. CP43- och CP47-proteinerna kodas i plastidgenomet. [24]
I tillstånd 1 är den mobila CCKII-trimern associerad med PSII. Med en ökning av ljusintensiteten regenereras poolen av plastokinoner och cytokromer b 6 /f av komplexet, vilket aktiverar ett speciellt kinas som fosforylerar den mobila trimeren. Som ett resultat av fosforylering får ytan på den mobila trimeren en negativ laddning, vilket leder till dess dissociation från PSII. Den fosforylerade mobila trimeren kan fästa vid PSI. Tillståndet i vilket den mobila trimeren är associerad med PSI kallas tillstånd 2. Under oxidationen av plastokinoner inträffar den omvända reaktionen av defosforylering av mobilantennen av enzymet proteinfosfatas, den återgår till regionen med parade granmembran och en ökning i energiinflöde till PSII, vilket åtföljs av omkopplingen av systemet från tillstånd 2 till tillstånd 1. att ett antal PSI-subenheter (H, O, L) är nödvändiga för anslutningen av CCKII-mobilkomplexet och övergången till tillståndet 2 [25] [26] [27] . Som ett resultat av övergången från tillstånd 1 till tillstånd 2 omdirigeras strålningsenergin från PSII till PSII, vilket mer effektivt utför det cykliska flödet av elektroner. Växling mellan tillstånd 1 och 2 är en viktig mekanism för att skydda den fotosyntetiska apparaten från höga ljusintensiteter. [28]
I vissa cyanobakterier (inklusive proklorofyter ), glaukocystofyter , kryptofyter och röda alger, representeras pigmenten i de ljusskördande komplexen av tetrapyrroler som inte är slutna i en makrocykel - phycobilins . Fykobiliner fixeras på proteiner genom bildning av kovalenta bindningar ( tioeter och eter ), medan kromoformolekylen antar en konformation med öppen slinga. Pigment-proteinkomplex är hydrofila och kan extraheras med hetvattenextraktion. Hydrolys av den kovalenta bindningen mellan pigmentet och apoproteinet kräver behandling med saltsyra under uppvärmning. Phycobiliproteins kännetecknas av intensiv fluorescens, men när proteinet denatureras förlorar phycobiliproteins denna förmåga.
Det finns flera klasser av fykobiliner, med olika spektrala egenskaper:
I algceller är fykobiliproteiner organiserade i ljusskördande komplex (fykobilisomer) som finns på ytan av tylokoidmembran . Fykobilisomer kan vara halvskivformade eller halvsfäriska. Fykobilisomer innehåller också speciella proteiner som är ansvariga för aggregationen av fykobilinpigment och sammansättningen av fykobilisomer. Organisationen av fykobilisomer är sådan att fykobiliner med kortare våglängds absorptionsmaxima är belägna i periferin, och de kortaste våglängderna är nära reaktionscentra. Migrationen av energi i fykobilisomer sker med försvinnandet av en del av excitationsenergin till värme och följer den allmänna regeln: från pigment med kortare våglängd till längre våglängder (fykoerytriner → fykocyaniner → allofykocyaniner) [29] .
Hos kryptoftider finns fykobiliproteiner i tylakoidlumen och det finns inga standardfykobilisomer [30] .
Förhållandet mellan phycobilinpigment i olika typer av alger bestäms av den spektrala sammansättningen av ljuset de använder. På stora djup av vattenpelaren tränger huvudsakligen kortvågigt blått ljus in. I detta avseende ackumulerar röda alger , som vanligtvis lever på stora djup, fykoerytriner, som effektivt absorberar högenergikvanta. Och i cyanobakterier som bor i sötvattenkroppar och de övre skikten av vattenpelaren i haven ackumuleras huvudsakligen phycocyaniner och allophycocyaniner. Dessutom, i alger av samma art, är förhållandet av pigment inte heller konstant och ändras beroende på habitatets djup (fenomenet kromatisk anpassning ) [31] .